量子芯片是基于量子力学原理设计和制造的芯片，是量子计算机的核心部件之一。量子计算原理主要有叠加、纠缠和退相干，量子芯片利用量子比特基于量子力学的独特特性，能够以指数级的速度完成复杂的量子计算。

1961年，IBM公司的罗尔夫·兰道尔（Rolf Landauer）提出了著名的Landauer原理，阐述了信息与能量之间的联系，开启了量子研究的篇章。20世纪80年代，诺贝尔奖获得者理查德·费曼等人提出“量子计算”的构想，期望实现量子计算的运算能力的指数级增长。2009年，美国国家标准与技术研究院的一个团队创造了第一个量子芯片。随着世界各国科学研究人员深入研究，量子芯片制作工艺和性能不断提升，量子芯片的种类也越来越多。相对于传统集成电路芯片，量子芯片有更强的并行能力，传统计算机用“0”和“1”二进制储存与处理数据，俗称经典比特，而量子计算机的基本计算单元——量子比特，可以同时是“0”和“1”，即允许“叠加态”共存。

量子芯片可以分为超导量子芯片、离子阱量子芯片和光量子芯片等。不同的量子芯片采用的技术原理不同，常见的技术原理有：离子阱、超导、光学方法和中性原子等。量子芯片对工作环境要求苛刻，嘈杂和高温的环境都会对量子态造成不同程度的影响。

1961年，IBM公司的罗尔夫·兰道尔（Rolf Landauer）提出了信息和能量的方案，即著名的Landauer原理：每删除一比特的信息，需要消耗一定的能量。消耗的能量随后会成为热量，因此散热问题是制约芯片集成化程度的一个重要问题。若要解决热量耗散问题，则必须在计算过程中避免信息的擦除，采用可逆计算。1970年，詹姆斯·帕克（James L. Park ）提出量子态不可克隆定理。

20世纪80年代，诺贝尔奖获得者理查德·费曼等人提出“量子计算”的构想，基于两个奇特的量子特性——量子叠加和量子纠缠，来构建量子计算。可操纵的量子比特数量增加将会让量子计算的运算能力实现指数级增长，从而远超传统电子计算机的性能。1980年，保罗·本尼奥夫（Paul Benioff）提出了量子计算机的概念，其计算过程是可逆的，在计算的中间过程几乎没有耗散，只在计算的最后进行测量，能量的耗散形式不同于经典计算。1993年，Bennett提出了量子隐形传态方案。1994年，Bell实验室的彼得·秀尔（Peter Williston Shor）提出了大数质因子分解的量子算法——Shor算法，这一量子算法动摇了以RSA为代表的当时所有已知的公钥加密算法。1996年，Lovleen Kumar Grover提出量子搜索算法，将一个含有N个样本的无序数据库的搜索步骤数由经典的N/2，大幅度地减少到N的平方根。1997年，Kitaev提出拓扑量子计算的方案，可有效地对抗退相干。

2000年开始，量子计算在理论和实验方面都开始有了突破。2000年到2004年，量子不可删除定理被证实，表明量子信息既不可以被制造也不能被删除，基于单光子的光学量子计算模型和基于测量的量子计算模型出现，量子隐形传态被实现。2009年，Lloyd等提出HHL量子算法，对于求解线性系统能达到指数加速效果，Schoelkopf等制造了第一个固态量子计算器，O'Brien等制造了光子芯片，首个面向源自光学开发的拓扑簇态量子架构出现。同年，美国国家标准与技术研究院的一个团队制造出第一个量子芯片和第一个芯片级量子计算设备。

2010年开始，量子计算从软、硬件两方面都得到了快速的发展。2010年，双光子芯片出现。2011年，14比特的量子注册机被制造出来，D-ware制造了量子灭机，并进入市场售卖。到了2013年，量子态已经可以达到小时级别的相干时间。2014年，实现了基于量子隐形传态技术的高保真、米级的数据传输。2016年，在基于离子井的量子计算机上实现了Shor算法。2017年，微软发布量子编程语言Q Sharp，科学家在微芯片上产生了两个纠缠的比特，共含100个态分量。2018年，谷歌量子AI实验室在于美国物理学会年会上，展示了最新研制的72量子比特量子处理器“狐尾松”，并称利用量子纠错对其进行了优化。

2019年8月9日，全球顶级学术期刊《Science》刊登了中国学者在量子计算研究中的新进展，题为《Generation of multicomponent atomic Schrodinger cat states of up to 20 qubits》。这项成果由浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所、北京计算科学研究中心等中国研究单位组成的团队通力合作完成，他们开发出了具有20个超导量子比特的量子芯片，并成功操控其实现全局纠缠，刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界纪录。

2020年，麻省理工学院的研究人员开发了一种制造和集成“人造原子”的工艺，该原子由微观薄金刚石切片中的原子级缺陷产生，具有光子电路，由此产出了同类产品中的最大的量子芯片。在量子比特数目方面也取得了较大突破：可编程的量子模拟器可操作的量子比特达到256个，基于Rydeberg原子的量子模拟器的原子数达到了196个。同年，中国产业本源量子上线搭载超导6比特量子芯片夸父KF C6-130的超导量子计算机“本源悟源1号”。

2021年5月初，北京量子信息科学研究院超导量子计算研究员于海峰发布了长寿命超导量子比特芯片。于海峰科研团成功使量子比特退相干时间达到503微秒，打破了美国普林斯顿大学研究组保持的360微秒的世界纪录。

2022年，浙江大学物理学院王震、王浩华研究组与清华大学交叉信息研究院邓东灵研究组等合作研究出在超导量子芯片上采用全数字化量子模拟方式，实现了“拓扑时间晶体”这种全新的物质状态。

2023年1月3日，中国首个专用于量子芯片生产的激光退火仪研制成功，该设备可解决量子芯片位数增加时的工艺不稳定因素，精准剔除量子芯片中的“瑕”，增强量子芯片向多比特扩展时的性能，提升量子芯片的良品率。

量子芯片作为量子计算机最核心的部分，是一种基于量子力学原理设计与制造的芯片，是执行量子计算和量子信息处理的硬件装置。量子芯片对工作环境要求苛刻，嘈杂的环境会导致量子态被破坏，保存的信息丢失，而过高的温度环境会导致量子态的演化难以控制。

在传统的计算机中，信息以经典位（比特）的形式存储和处理，而在量子芯片中，信息以量子位（量子比特或者称为qubit）的形式表示。与经典计算机不同的是，经典计算机的比特在任何时刻都可以存在于“0”或“1” 的状态，而量子计算机中的量子比特可以存在于额外的状态。它可以作为离散状态（“0”或“1”）存在，也可以作为两种状态的叠加存在。

量子芯片的计算利用量子比特基于量子力学的独特特性（如叠加和纠缠），以指数级的速度执行复杂的量子计算。核心材料主要由超导材料组成，来维持量子比特的微妙量子。除了超导材料，量子芯片还采用了绝缘材料，将量子比特与外部干扰隔离开来，确保量子计算的稳定性和可靠性。最后使用光刻技术将各种材料精确沉积到基板上来创建电路。

搭载量子芯片的量子计算机使用量子原理工作，量子原理包括叠加、纠缠和退相干。叠加态类似于经典物理学中的波，可以添加两个或多个量子态，然后会得到另一个有效的量子态。相反，也可以将每个量子态表示为两个或多个其他不同状态的总和。这种量子位的叠加赋予了量子计算机固有的并行性，使它们能够同时处理数百万个操作。

量子纠缠发生在两个系统紧密联系在一起时，可以通过一个系统立即了解另一个系统。量子处理器可以通过测量一个粒子得出关于另一个粒子的结论。当测量量子态时，波函数会坍缩，然后将状态测量为“0”或“1”。在已知或确定的状态下，量子位将充当经典位。纠缠是量子位将其状态与其他量子位相关联的能力。退相干是量子位中量子态的损失。辐射等环境因素会导致量子位的量子态崩溃。构建量子计算机的关键是设计各种试图延迟状态退相干的功能，例如构建保护量子位免受外部场影响的特殊结构。

超导量子芯片是一种基于超导技术的量子芯片。它利用超导体材料中的电流来存储和处理量子信息。超导量子芯片的一个重要组成部分是超导量子位（transmon），它是一种特殊的超导量子态。通过控制电压和微波脉冲，可以在超导量子位之间实现信息的传递和操作。

超导性是一组物理特性，可以在非常低的温度下，在某些材料（如汞和氦）中观察到这些特性。在这些材料中，可以观察到一个特征临界温度，低于该温度为零并且场被排出。通过超导线环的电流可以在没有电源的情况下无限期地持续存在。

约瑟夫森效应即超导隧道效应，在玻璃衬板上镀一层超导金属膜，使其上形成一层薄薄的绝缘氧化层，在氧化层上再镀一层超导金属膜，就得到一个超导-绝缘-超导结，称为约瑟夫森结。所有的超导量子比特都是基于约瑟夫森结实现。约瑟夫森结具有非线性的特点，可以快速的改变量子比特的频率，还能够改变量子比特之间的耦合、放大微弱信号。

固态量子芯片利用标准半导体微纳加工工艺，使两量子比特间的耦合强度超过100微电子学伏特，通过不断改进量子比特逻辑操控中的高频脉冲信号的精确控制等问题，使得脉冲序列间的精度控制在皮秒量级，并最终实现了两个电荷量子比特的控制非逻辑门，其操控最短在百皮秒量级内完成，新的半导体两量子比特的操控速度提高了数百倍。与超导量子芯片相比，这种半导体芯片利用半导体材料中的电子和光子来存储和处理量子信息，量子位通常由半导体量子点来实现，量子操作可以通过调控电压和光信号来实现。

离子阱量子芯片是一种基于离子阱技术的量子芯片。离子阱量子芯片利用离子的能级和振动态来进行量子信息的存储和操作。离子通过电磁场限制悬浮在微型陷阱上方。基于捕获离子的系统使用激光应用量子门来操纵离子的电子状态。俘获离子量子位使用来自自然界的原子，而不是合成制造量子位。利用离子阱实现量子计算的优点在于，具有较长的相干时间，有较高的设备和读出离子比特的效率。

与离子阱技术相似的中性原子技术，利用激光冷却技术把原子冷却到运动基态，并使其俘获在光格子中。处于光格中的中性原子有很多内部状态，都可以被利用来编码量子比特，每个光格子中可以只有一个原子，通过调节激光可以使原子靠近发生相互作用，从来完成两量子比特操作。这种方法的优点是每个原子与外界有很好的隔离，具有较长的消相干时间。

光量子芯片使用光作为信息传递的载体，采用微纳加工工艺，将多个光量子器件集成在单个芯片上。光子是一种十分理想的量子比特的载体：光子的偏振和光子的路径信息都可以用来编码量子比特；用各种半波片和半透镜等光学器件就可以完成对量子比特的单比特操作；光子与环境相互作用很小，具有很好的相干性。光量子芯片储存信息的时间更长，而且对外界的抗干扰性更强，兼容性更好，操控精度更加准确。并且，光量子芯片的动态编程结构，实现芯片结构的重新建立解决了定点搜索等复杂的算法问题。

量子芯片是量子计算机的核心。2019年1月，IBM 发布了首台商用化量子计算机IBM Q system one，可使用户在网络平台上实现量子计算。

量子通信利用量子纠缠和量子密钥分发等技术，实现了具有完全安全性的通信方式，能够解决加密技术所遇到的挑战。量子通信在网络通信、金融交易、军事通信等领域中有着广泛的应用。

量子芯片可以被用来模拟量子系统的行为和相互作用。由于某些量子系统的行为非常复杂，传统计算机无法精确模拟，因此可以借助量子计算来进行高效的模拟。量子模拟在材料科学、生物医药等领域中有着广泛的应用。

量子信息技术已经被证明相比于经典技术在通信、计算和模拟等方面具有优势，在超导、离子阱和光子等主流的量子系统中, 光量子系统因具有相干性好、速度快和不易与环境相互作用等优势, 成为有潜力实现大规模量子信息处理的物理系统之一。

光量子芯片的未来发展主要体现在以下几个方面：

数据处理：从战略安全和发展战略要求的角度来看，光量子芯片可以解决主要应用中的许多重要问题，如数据处理方法耗时长、无法并行处理、功能损失大等。

激光通信：室内空间激光通信是目前解决室内空间传输速度短的关键途径，是打造综合网络信息的关键途径；水下激光通信是解决水下数据信号传输环境危害的关键途径，也是构建一体化水下通信系统的关键途径。

算法优化：AI光量子芯片是一种匹配光学测量框架纵横比和人工智能技术优化算法的芯片设计。具有广泛应用于无人驾驶、安全监控系统、语音识别技术、图像识别技术、诊疗、手机游戏、虚拟现实技术、工业互联网、公司级服务器、大数据中心等重要人工智能技术行业的发展潜力。

人工智能：类脑光子芯片可以模拟人脑的计算，在模拟人脑的神经网络架构下，根据光量子带的信息内容求解数据信息，使芯片可以实现类似人脑的快速并行处理和功耗计算。将微结构光量子集集成到基础光量子芯片和基于电子光学的神经网络数据处理系统中，对于解决未来功耗、高速运行、宽带网络和大量信息资源管理等问题具有重要意义。

互联网：光量子芯片具有并行处理速度快、功耗低的优点，可以大幅提升互联网的运算反应速度。

IBM

早在2000年，IBM公司就已经研制出了世界上第一台量子计算机。2016年，IBM公司第一个推出量子云平台IBM Q Experience。2017年，IBM公司研发20位量子比特的量子计算机，并成功开发出了一台50位量子比特的原型机，暂时实现“量子霸权”。IBM在2021年凭借处理器“Eagle（鹰）”突破了100量子比特的障碍，IBM称，127量子比特处理器上表示一个状态所需的经典比特数量超过了当今75亿人的原子总数。是可扩展量子计算的一个重要里程碑。2022年发布了一台名为“Osprey（鱼鹰）”的433量子比特计算机。截止2023年，IBM已经研制出突破1000量子比特计算机“Condor（秃鹫）”。并在“Eagle”量子芯片上开发出一种“错误缓解”的方法，能够在实用的量子纠错出现之前，通过减少错误进行某些类型的精确计算。

2019年，谷歌在“量子优越性”研究上取得重大突破——用一台54量子比特的量子计算机“Sycamore”实现了传统超级计算机无法完成的任务。2023年，字母控股将“Sycamore”处理器提升到了70个量子位，此外，谷歌量子AI团队通过实验首次证明：可以通过增加量子比特的数量来减少错误。此次实验的成功代表操作量子计算机方式的重大转变，是纠错量子计算机新里程碑。

因特尔

2023年，英特尔公司研发出一款名为“Tunnel Falls”的量子处理器。Tunnel Falls是第一个向研究机构和大学发布的硅自旋量子比特设备，采用300毫米晶圆制造，并利用了英特尔最先进的晶体管制造能力。Tunnel Falls 芯片的尺寸约为50 纳米见方，硅自旋量子位比其他类型的量子比特小 100 万倍。

本源量子

2017年，中国科学技术大学、国家重大研究计划“半导体量子芯片”首席科学家郭国平带领一个科学家团队成立了本源量子公司。2020年，本源量子研制出搭载6比特超导量子芯片夸父KF C6-130的“悟源”量子计算机，随后于2021年，研制出搭载24比特夸父KF C24-100的“悟源”量子计算机。2022年，中国首条量子芯片开始投产，多材料光子芯片生产线也进入建设阶段。2023年1月，本源量子成功交付一台量子计算机给客户使用，成为世界上第三个具备量子计算机整机交付能力的国家。